利用三颈烧瓶探究燃烧的条件

摘要

针对现行人教版化学九年级教科书中燃烧条件实验存在的不足，利用三颈烧瓶、燃烧匙、罐装氧气、红磷和白磷等实验用品对课本实验进行改进与优化。利用三颈烧瓶探究可燃物燃烧条件的优点在于，实验过程对环境友好，实验现象直观、有趣。从教学效果看，该改进实验具有良好的推广价值。

Graphical abstract

关键词

三颈烧瓶 / 燃烧条件 / 创新设计 / 绿色环保

现行人教版化学九年级教科书第七单元课题1“燃烧和灭火”中编排有探究可燃物燃烧条件的实验（图1）。

该实验存在如下不足。①薄铜片上的白磷在空气中燃烧会产生大量的白烟，逸散到空气中易造成环境污染，损害师生的健康，不符合绿色化学理念。②烧杯中热水下用硬纸圈圈住的白磷，在氧气流中容易四处游动，使得白磷和氧气不能充分接触，导致实验现象不明显或不成功。③教科书还标注：“实验需在通风橱或抽风设备下进行。”显然，大多数学校不具备这样的实验设施。

为了提高实验的成功率，并使实验符合绿色化学理念，我们对该实验进行了改进，取得显著的教学成效。

1 已有改进简述

很多一线教师对探究燃烧条件的实验进行了改进与创新，这些设计虽然各具特色，取得了较好的实验效果，但也存在一些问题。

钱胜等^［1］的改进方案操作简单、现象明显，虽然能使白磷燃烧的现象成功发生，也把燃烧产生的P₂O₅控制在密闭体系内，没有造成环境的污染，但收集满氧气的试管倒插入热水中后，试管内的一部分水被氧气排开，白磷并不是在水中燃烧，实际上是白磷在水下与水不接触直接与氧气燃烧。

姜跟华^［2］的改进方案在密闭的集气瓶内进行实验，绿色环保，装置简单，操作方便，但制作打孔燃烧匙比较麻烦；另外，在实验设计上未打孔燃烧匙内的红磷温度和打孔燃烧匙内露出水面的白磷温度不同，没有很好地控制变量。

赵兴阳^［3］设计了分步实验，该改进实验始终在密闭容器中进行，实验后还通过及时滴加浓氨水或稀NaOH溶液吸收P₂O₅，消除了生成物对环境造成的污染，体现了绿色化学理念；但多孔铝箔孔的大小若控制不好，则会出现白磷与氧气接触不充分或白磷逸出等问题；此外，采用注射器控制双氧水流速制取氧气，难以得到平稳的氧气流。

2 实验改进

2.1 实验用品

500 mL三颈烧瓶1只、250 mL烧杯1只、燃烧匙2个、直角长导管1支、直角短导管1支、橡皮塞3个、小气球1个、试管1支（15 mm×100 mm）、药匙1个、铁架台（带铁夹）1个、锉刀1把、长柄镊子1只、小刀1把、打孔器1套，以及记号笔、白磷、红磷、罐装氧气、80 ℃的热水（溶有适量NaOH）、凡士林。

2.2 实验原理

红磷的着火点是240 ℃，与空气（或氧气）接触不能燃烧；白磷的着火点是40 ℃，当白磷与空气（或氧气）接触且达到其着火点时，燃烧就能发生，\mathrm{4}\mathrm{P}+\mathrm{5}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\stackrel{\mathrm{点燃}}{̿}\mathrm{2}{\mathrm{P}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{5}}；氢氧化钠溶液能够吸收五氧化二磷，{\mathrm{P}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{5}}+\mathrm{6}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{O}\mathrm{H}=\mathrm{2}\mathrm{N}{\mathrm{a}}_{\mathrm{3}}\mathrm{P}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}+\mathrm{3}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}。

2.3 实验装置

设计的新实验装置见图2（略去夹持仪器）。

2.4 实验步骤

（1） 实验前，用锉刀截去试管（15 mm×100 mm）底部，留下长度约为25 mm的去底试管，备用。

（2）取两个橡皮塞，用打孔器打好孔；先将燃烧匙下端勺子处弯折一定的角度，再将燃烧匙上端铁丝插入橡皮塞（铁丝上部涂抹一些凡士林）；分别将两个带有燃烧匙的橡皮塞塞紧三颈烧瓶的左右边口，推拉燃烧匙上端铁丝使三颈烧瓶内的燃烧匙底部位于水深标记的上方。

（3） 另取一个橡皮塞，用打孔器给其打好双孔后；向两孔中分别插入带气球的短导管和长导管，再将带导管的双孔橡皮塞塞紧三颈烧瓶中口；调节长导管下端管口，使其接近三颈烧瓶底部。

（4） 拔掉三颈烧瓶上的橡皮塞，从左侧边口处加入80 ℃左右的热水（溶有适量NaOH）至水深标记处；在左右两个燃烧匙内分别加入绿豆大小的白磷和少量红磷，然后将燃烧匙伸入三颈烧瓶内，塞紧左右边口。

（5） 取一块黄豆大小的白磷，从三颈烧瓶中口投入热水中，借助长柄镊子将去底试管罩住水下的白磷，然后用带导管的橡皮塞塞紧中口，使导管下端管口位于去底试管内，即水下白磷的正上方。

（6） 向里缓缓推动三颈烧瓶内燃烧匙上端的铁丝，使燃烧匙底部接触三颈烧瓶内的热水，观察到左侧燃烧匙勺内的白磷燃烧，产生大量白烟，右侧燃烧匙勺内的红磷没有燃烧，说明可燃物燃烧需要温度达到着火点；而燃烧匙内白磷燃烧，80 ℃的热水下白磷不燃烧，说明可燃物燃烧需要与氧气接触。

（7） 将三颈烧瓶中口上方导管接通罐装氧气，轻轻打开氧气罐的旋钮，缓缓通入氧气，观察到去底试管中的白磷在热水中剧烈燃烧，产生黄色火焰，说明可燃物燃烧除了温度要达到着火点外，还需要与氧气接触。

2.5 实验说明

（1） 使用500 mL的三颈烧瓶作为反应容器，可以保证有较多的氧气，能够方便学生持久地观察白磷燃烧的现象且现象明显。

（2） 在燃烧匙上端与橡皮塞接触的铁丝上涂抹一些凡士林，目的是方便燃烧匙在三颈烧瓶中灵活推拉。

（3） 小气球的使用可以使整个装置形成密闭体系，防止白烟逸散到空气中，也可以缓冲瓶内的气压。

3 实验优点

（1） 装置简单，便于操作。使用实验室常见的仪器如三颈烧瓶、燃烧匙、导管等进行简单的组装，便捷的实验操作如推动燃烧匙上端的铁丝、打开旋钮通入罐装氧气，就可使实验现象明显，达到较好的实验效果。

（2） 实验环保，反应可控。整个实验都在密闭体系中进行，且80 ℃的热水中溶有适量的NaOH，可以更好更快地吸收白烟，消除P₂O₅对环境的污染和对人体的伤害。使用罐装氧气可以保证通入水下的氧气流是平稳、持续、速率可控的，能够有效防止白磷被吹得到处游动。

4 结语

上述探究燃烧条件的改进实验，充分体现了创新、激趣、节约、安全、环保等理念^［4］，发展了学生的科学思维和创新意识，培养了学生的科学态度与责任，充分发挥了化学实验的育人功能。

参考文献

[1] 钱胜，冯红霞.对“白磷在水下燃烧实验”的多种改进［J］.化学教学，2011（03）：38-39.

[2] 姜跟华.“燃烧的条件”实验再改进［J］.化学教学，2023（09）：81-83.

[3] 赵兴阳.“燃烧条件探究实验”的创新设计［J］.中学化学教学参考，2023（30）：56-57.

[4] 李德前，魏海，张羿.将白磷包裹在铁丝绒内进行水中燃烧实验［J］.化学教学，2021（12）：72-74.

基金资助

江苏省教研室第15期立项课题“指向‘科学探究与实践’的初中化学实验创新教学研究”(2023JY15-L94)